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风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

张帅 丁国栋 高广磊 赵媛媛 于明含 包岩峰 王春媛

张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
引用本文: 张帅, 丁国栋, 高广磊, 赵媛媛, 于明含, 包岩峰, 王春媛. 风沙区公路防积沙的新型防护栏研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
Citation: Zhang Shuai, Ding Guo-dong, Gao Guang-lei, Zhao Yuan-yuan, Yu Ming-han, Bao Yan-feng, Wang Chun-yuan. Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(2): 90-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353

风沙区公路防积沙的新型防护栏研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170353
基金项目: 

国家自然科学基金项目 31600581

中央高校基本科研业务费专项 2015ZCQ-SB-02

国家重点研发计划项目 2016YFC0500905

国家自然科学基金项目 31270749

详细信息
    作者简介:

    张帅,博士生。主要研究方向:荒漠化防治。Email:xxwoshizsxx@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    责任作者:

    丁国栋,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:dch1999@263.net 地址:同上

  • 中图分类号: S157.1

Study on new highway guardrail for anti-sediment in sand area

  • 摘要: 目的防护栏是保障公路交通安全的重要防护措施,但单一的设计并不能与多种环境相适应。在风沙区的实践活动中发现,安装防护栏的路段常会出现带状积沙,本文针对这一现状,在实地调查的基础上,从空气动力学的角度进行研究,为风沙区路面积沙提供解决方案。方法以公路防护栏为研究对象,对护栏板进行不同孔隙度、不同孔型的改造,利用风洞模拟、克里金插值等方法,分析不同孔洞防护栏对路面风速流场的影响,并计算不同类型防护栏对绝对含沙量的影响,选取适当的配置,达到防止路面积沙的目的。结果传统防护栏背风侧路面近地表风速下降至原风速的80%,在风速为5、8、11 m/s的条件下风沙流绝对含沙量分别下降了44.7%、64.8%和75.1%,护栏板对风沙流的阻挡作用是导致路面积沙的重要因素;新型防护栏能提高风沙流绝对含沙量,大孔型、小孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度没有明显的规律性,但均低于初始水平,长条状孔型防护栏对绝对含沙量的影响随孔隙度的增大而减小,孔隙度达到0.3时绝对含沙量达到初始水平;风沙流结构中含沙量最高的近地表层中,不同孔型防护栏对风速的影响呈现出一致的规律性,随孔隙度的增大而减小,其中大孔型防护栏和小孔型防护栏在不同孔隙度条件下背风侧稳定后风速均小于初始风速,孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏后稳定速度达到初始风速;从风速流场来看,传统防护栏后沿风向形成明显的减速区和低速区,长条状孔型防护栏后风速流场结构较为稳定。结论孔隙度为0.3和0.4的长条状孔型防护栏能起到改善路面风速流场,防止沙区公路积沙的作用。未来针对防护栏的研究应在符合安全标准的基础上,针对不同的行车环境进行相适应的改造,使其充分发挥防护作用。

     

  • 图  1  不同打孔方式示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of different punching modes

    图  2  实验测点分布示意图

    Figure  2.  Distribution schematic of experimental measurement points

    图  3  不同风速下新型防护栏1 cm高处风速平均变化率

    Figure  3.  Average variation rate of 1 cm height of the new protective guardrail under different wind speeds

    图  4  传统防护栏不同风速下风场分布

    Figure  4.  Distribution of wind field of traditional fence under different wind speeds

    图  5  孔隙度为0.3的长条防护栏不同风速下风场分布

    Figure  5.  Distribution of wind field of a long bar with a porosity of 0.3 under different wind speeds

    表  1  传统波形路侧防护栏内不同风速下的变化率

    Table  1.   Changing rate of different wind speeds in the traditional corrugated road

    风速类型
    Wind speed type
    高度
    Height/cm
    距离Distance/cm
    4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
    起动风速(5 m/s)
    Threshold speed(5 m/s)
    1 1.37 1.17 1.07 0.98 0.91 0.88 0.88 0.85 0.86 0.84
    3 1.29 1.05 0.90 0.85 0.82 0.81 0.80 0.81 0.82 0.82
    5 0.49 0.58 0.61 0.64 0.67 0.71 0.74 0.78 0.78 0.81
    7 0.37 0.29 0.44 0.57 0.66 0.74 0.76 0.80 0.82 0.83
    9 0.88 0.67 0.73 0.80 0.82 0.84 0.89 0.89 0.91 0.92
    劲风(8 m/s)
    Fresh breeze(8 m/s)
    1 1.27 1.08 1.01 0.95 0.92 0.86 0.85 0.83 0.82 0.82
    3 1.24 1.06 0.92 0.83 0.82 0.82 0.82 0.81 0.79 0.79
    5 0.54 0.67 0.65 0.66 0.68 0.70 0.75 0.78 0.80 0.80
    7 0.40 0.32 0.45 0.60 0.68 0.75 0.77 0.80 0.81 0.84
    9 0.90 0.70 0.79 0.83 0.87 0.87 0.89 0.91 0.92 0.93
    强风(11 m/s)
    Strong breeze(11 m/s)
    1 1.26 1.11 1.01 0.96 0.89 0.85 0.82 0.83 0.83 0.83
    3 1.25 1.07 0.87 0.80 0.77 0.78 0.77 0.78 0.79 0.80
    5 0.39 0.56 0.58 0.61 0.66 0.67 0.73 0.74 0.76 0.79
    7 0.37 0.33 0.44 0.59 0.65 0.71 0.75 0.75 0.77 0.82
    9 0.87 0.67 0.72 0.78 0.82 0.85 0.87 0.88 0.88 0.89
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    表  2  不同设置条件下风沙流绝对含沙量

    Table  2.   Absolute sediment concentration of sand flow under different setting conditions

    项目Item 起动风速Threshold speed 劲风Fresh breeze 强风Strong breeze
    风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1) 风速Wind speed/(m·s-1) 绝对含沙量Absolute sediment concentration/(g·min-1)
    无防护No guardrail 5.12 44.19 7.93 353.40 10.91 3 205.31
    传统防护栏Traditional guardrail 4.32 24.45 6.52 124.50 9.03 797.52
    大孔型0.1 Big hole 0.1 4.66 31.44 7.08 188.42 9.93 1 552.21
    小孔型0.1 Small hole 0.1 4.79 34.61 7.23 210.53 9.30 973.88
    长条状孔型0.1 Strip hole 0.1 4.78 34.36 6.98 174.98 9.61 1 224.96
    大孔型0.2 Big hole 0.2 4.66 31.44 7.35 230.08 10.07 1 721.63
    小孔型0.2 Small hole 0.2 4.56 29.20 6.68 140.15 9.71 1 319.03
    长条状孔型0.2 Strip hole 0.2 4.91 37.83 7.38 235.25 10.26 1 981.51
    大孔型0.3 Big hole 0.3 4.70 32.38 7.32 225.03 10.33 2 086.84
    小孔型0.3 Small hole 0.3 4.65 31.21 7.04 182.92 9.99 1 622.68
    长条状孔型0.3 Strip hole 0.3 5.19 46.53 7.89 343.09 10.92 3 229.11
    大孔型0.4 Big hole 0.4 3.96 18.73 6.48 120.87 9.38 1 033.27
    小孔型0.4 Small hole 0.4 4.17 21.88 6.57 129.19 9.76 1 368.75
    长条状孔型0.4 Strip hole 0.4 5.22 47.58 7.97 364.01 11.28 4 214.70
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-28
  • 修回日期:  2017-11-22
  • 刊出日期:  2018-02-01

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